Entwurf und Konstruktion einer Komponente für ein neuartiges haptisches Eingabegerät. - 86, 47 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die Bachelorarbeit beschreibt die Optimierung (Entwurf und Konstruktion) eines neuartigen haptischen Eingabegerätes zur mechanischen Bewegungserfassung der Hand und des Armes, für Aufgaben der teleassistierten Chirurgie. Grundlage bildet das Ergebnis der Master-Arbeit "Entwurf einer integrierten Orientierungseinheit eines haptischen Gerätes" von N. Ziegenspeck. Ausgehend von einer umfassenden Analyse des bestehenden Systems und einer eingehenden Literaturrecherche werden unterschiedliche Lösungskonzepte erarbeitet und anschließend bewertet. Die konstruktive Realisierung in einem CAD-Entwurf erfolgt für das, auf der Grundlage der Bewertung ausgewählte Konzept. Dabei beschränkt sich die Arbeit auf zwei der drei Drehachsen der Orientierungseinheit. Mit der dritten Achse befasst sich E. Meta in der Bachelorarbeit "Entwurf und Konstruktion einer Komponente für ein haptisches Eingabegerät". Ein kreisrunder Lagerflansch mit einer Hohlwelle repräsentiert die Schnittstelle zwischen beiden Arbeiten.
Analytische und numerische Untersuchungen zu Durchbiegungen und Schwingungen von 2d-Kontiuna. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der analytischen und numerischen Untersuchung von Plattenbauteilen. Zu Beginn wird eine Übersicht über die Anwendungsgebiete, sowie verschiedene Theorien im Bereich der Plattenstatik gegeben. Nachfolgend wird die Kirchhoff-Theorie für dünne Platten näher betrachtet. Nach einer Eingrenzung der Randbedingungen, unter denen die beschreibende partielle Differentialgleichung gelöst werden kann, wird in verschiedenen Beispielen eine analytische Lösung für die Durchbiegung berechnet. Bei den Berechnungen sind verschiedene Vereinfachungen möglich, deren Einfluss auf die Lösung diskutiert wird. Die Ergebnisse der Berechnungen werden zusätzlich mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode verifiziert. Weiterführend wird das Differentialgleichungssystem der Plattentheorie nach Mindlin und Reissner aufgestellt und am Beispiel der allseitig gelenkig gelagerten Platte mit der Kirchhoff-Theorie verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt eine Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Platten. Es wird die freie Schwingung von Rechteckplatten nach der Kirchhoff-Theorie, unter verschiedenen Randbedingungen, untersucht und mit den Ergebnissen einer FEM-Modalanalyse verglichen. Der letzte Abschnitt dieser Arbeit widmet sich dem Ritz-Verfahren für Kirchhoff-Platten. Nach der Herleitung für beliebig viele Ansatzfunktionen werden anhand einiger Beispiele aus Statik und Dynamik die Vorteile und Nachteile des Verfahrens aufgezeigt. Die Resultate der gesamten Arbeit werden im Hinblick auf den nötigen Rechenaufwand untereinander vergleichen. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf die elastische Lagerung am Plattenrand und die Modellierung einer Platte mittels des Mehrkörpersystems.
Untersuchung der Eigenschaften des funktionellen Materials "Borsilikonkitt" unter Schwingungen in Bezug auf Anwendungsmöglichkeiten für nachgiebige Mechanismen. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Borsilikonkitt ist ein viskoelastisches Material, dessen Eigenschaften abhängig von der Einwirkungsdauer einer mechanischen Belastung sind. Unter der Einwirkung kurzzeitiger Belastungen dominiert das elastische Materialverhalten, während bei lang andauernden Belastungen die viskosen Eigenschaften überwiegen. So lässt sich der Borsilikonkitt zu einer Kugel formen, die ähnlich wie ein Gummiball springt, wenn diese auf den Boden geworfen wird. Andererseits zerfließt die Kugel, beim Liegenlassen auf dem Tisch über mehrere Stunden, zu einem flachen, kreisförmigen Gebilde. In der vorliegenden Arbeit wird ein Borsilikonkitt, dessen rheologische Eigenschaften ebenfalls untersucht werden, mithilfe eines schwingenden Piezo-Stapelaktuators kurzzeitigen Belastungen ausgesetzt. Zusätzlich werden Stahlkugeln auf die Oberfläche des Borsilikonkitts gelegt bzw. in den Kitt eingebracht. Die Gewichtskraft der Stahlkugeln erzeugt eine konstante Belastung, die über einen langen Zeitraum auf das Material wirkt. Es wird untersucht, welchen Einfluss der schwingende Piezoaktuator auf das Einsinken der Kugeln hat. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Kugel bei eingeschaltetem Piezoaktuator schneller bzw. tiefer in den Borsilikonkitt einsinkt als bei ausgeschaltetem Piezoaktuator. Anhand von Untersuchungen des Temperatureinflusses auf die Materialeigenschaften des Borsilikonkitts wird die Temperaturerhöhung infolge der Erwärmung des Piezoaktuators als Ursache für das schnellere Einsinken der Kugel bei eingeschaltetem Piezoaktuator gefunden. Der Einfluss der kurzzeitigen Belastungen, die durch den schwingenden Piezoaktuator erzeugt werden, auf die Materialeigenschaften des Borsilikonkitts konnte mithilfe der beschriebenen Versuche nicht nachgewiesen werden.
Entwicklung eines Getriebes für eine Tierschermaschine. - 166 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Kundengespräche der Firma Aesculap Suhl GmbH ergaben, dass ihre aktuelle akkubetriebene Haarschermaschine mit dem Namen Favorita CL ein Defizit in der Lärmemission besitzt. Im Zuge einer Neuauflage dieser Maschine gilt es die Lautstärke der Maschine zu senken. Begonnen wird die Entwicklung dabei mit dem Getriebe, nach welchem dann der Motor ausgewählt und das Gehäuse geformt wird. Die vorliegende Bachelor-Arbeit "Entwicklung eines Getriebes für eine Tierschermaschine" analysiert dazu zunächst das bestehende Getriebe um die möglichen Quellen für die Lärmentwicklung des aktuellen Getriebes zu determinieren. Hierbei kristallisieren sich Materialpaarung und Spiel als essentielle Lärmquellen heraus. Um die Frage zu klären, ob das Prinzip des bestehenden Getriebes optimiert werden kann, wurden methodisch weitere Prinzipe entworfen und mit Hilfe einer Bewertungsmatrix zusammen mit dem Prinzip des bestehenden Getriebes bewertet. Zu dem Prinzip mit dem höchsten Erfüllungsgrad der Bewertungskriterien wurden dann Variantenvariationen entwickelt, aus deren Kombinationen wiederum das endgültige Prinzip herausgefiltert wurde. Abschließend wurde anhand dieses Prinzips ein technischer Entwurf ausgearbeitet.
Modellbildung, Schwingungsanalyse und Regelung eines biologisch-inspirierten, mechanischen Bewegungssystems mit einstellbarer Lagerviskoelastizität. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Vibrissen sind die taktilen Sensoren für Ratten und anderen Säugetieren, um ihre Umgebung zu erkunden und bestimmte Objekte zu erkennen. Dabei erfolgt die Reizaufnahme nicht direkt über das leblose Tasthaar, sondern über die Mechanorezeptoren im Follikel-Sinus-Komplex, der einer visko-elastischen Lagerung gleicht. Bei Ratten befinden sich die Vibrissen vor allem in der Schnauzenregion, welche durch die dort vorkommende Muskulatur über ihre Follikel-Sinus-Komplexe miteinander gekoppelt sind. Es gibt schon einige biologischen Modelle zu einzelnen Vibrissen und dem kompletten Vibrissenfeld, welche aber alle sehr detailliert und daher für die Analyse und Untersuchungen mit Mitteln der Mechanik und Bionik ungeeignet sind. Während sich die bestehenden mechanisches Modelle auf die Beschreibung der Tasthaare und ihren Eigenschaften konzentrieren, liegt in dieser Arbeit der Fokus auf der Entwicklung von Modellen in unterschiedlichen Abstraktionsstufen, welche die Eigenschaften und die Funktionsweise des Follikel-Sinus-Komplexes beschreiben. Dafür wird eine passende Regelung gewählt und in das Modell implementiert. Diese Modelle werden dann mathematisch beschrieben und analysiert. Ein erstes Modell besteht aus einem zylindrischen Stab, der in einem Drehgelenk beweglich gelagert ist und über eine Feder mit einer vorgegebenen Schwingung erregt wird. Die erzeugten Bewegungen entsprechen den Schwingungen der Vibrisse, die bei Ratten durch die umliegende Muskulatur eingestellt wird. Diese Referenzbewegung wird für eine Regelung für ein Steuerdrehmoment verwendet, welches dann für verschiedene äußere Störeinflüsse auf das System analysiert wird. Ein weiteres Modell ist ein, über eine Feder indirekt erregtes, Loslager einer Vibrisse, welche drehbar gelagert ist. Ein letztes Modell besteht aus einer Vibrissendose, die ebenfalls drehbar auf einem Loslager gelagert ist und indirekt über eine Feder in Bewegung versetzt wird. Die Analyse der entwickelten Modelle besteht aus der Untersuchung der Verläufe der Steuerdrehmomente, bei unterschiedlichen angreifenden Störkräften. Dadurch kann festgestellt werden, dass die Momente direkt mit den Störeinflüssen zusammenhängen und es wird eine Idee entwickelt, wie unbekannte Störeinflüsse identifiziert werden können, wenn man die sonstigen Modellparameter kennt.
Entwicklung, Aufbau und Untersuchung von nachgiebigen, funktionellen Zahnradmechanismen mit Borsilikonkitt. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Heutzutage werden zunehmend nachgiebige Mechanismen in technischen Systemen eingesetzt. Durch die Verwendung funktioneller Werkstoffe, wie z. B. Borsilikonkitt, können durch deren spezielle Eigenschaften gegenüber klassischen Starrkörpermechanismen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten geboten werden. Der viskoelastische Borsilikonkitt ist seit über 70 Jahren als Spielzeug und Therapie-Knete bekannt. Bei einer Langzeitbelastung, wie z. B. durch die eigene Schwerkraft, weist der Borsilikonkitt überwiegend viskose Eigenschaften auf. Während bei schneller und kurzzeitiger Krafteinwirkung, beispielsweise durch Hammerschläge, elastische Eigenschaften dominieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung, diesen Funktionswerkstoff in einem Zahnradmechanismus zur Realisierung von Nachgiebigkeit anzuwenden. Dadurch kann das System bei hoher Drehzahl eine Leistung wie ein konventioneller Zahnradmechanismus übertragen. Bei einem langsamen Antrieb hingegen soll sich der Abtrieb nicht bewegen. In dieser Arbeit wird ein Zahnstangengetriebe mit hebelähnlichen, mittig gelagerten Zähnen entwickelt. In Anlehnung an eine Triebstockverzahnung wird der Bolzen, der mit dem belasteten Zahnrad verzahnt ist, einseitig an einer Seite des sogenannten Hebelzahns befestigt. Die Befestigungsstellen befinden sich abwechselnd in zwei parallel liegenden Reihen. Der Bolzen des drehbaren Hebelzahns kann verschoben werden, sodass der Gegenzahn des Zahnrades vorbeirutscht. Die Funktionsfähigkeit des nachgiebigen Mechanismus wird durch Experimente mit Hilfe einer servo-hydraulischen Prüfmaschine nachgewiesen. Die Ergebnisse weisen deuten darauf hin, dass die Fähigkeit der Leistungsübertragung des nachgiebigen Systems in den untersuchten Bereichen mit zunehmender Antriebsgeschwindigkeit aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften des Borsilikonkitts ansteigt. Dieser nachgiebige Mechanismus kann als ein geschwindigkeitsabhängiges Getriebe, welches nur bei hoher Geschwindigkeit Leistung überträgt, verwendet werden. Diese Versuchseinrichtung ermöglicht zukünftig weitere Untersuchungen mit anderen viskoelastischen Funktionswerkstoffen, verschiedenen Zahngeometrien sowie weiteren Verzahnungsarten.
Untersuchungen zu den herstellungsbezogenen und rheologischen Eigenschaften von Borsilikonkitt. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Borsilikonkitte oder Borsiloxane sind visko-elastische Polymere, die in Abhängigkeit der Belastungszeit ein unterschiedliches Materialverhalten aufweisen. Bei langzeitiger Belastung verhalten sich diese wie eine hochviskose Flüssigkeit und bei kurzzeitiger Belastung weisen sie hochelastische Eigenschaften auf. Dieses Eigenschaftsprofil, das auf einem kovalenten Bindungseffekt zwischen Bor- und Sauerstoffatomen benachbarter Molekülketten basiert, soll für technische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Hierzu soll in dieser Arbeit ein reproduzierbares Syntheseverfahren und der Einfluss der Ausgangsstoffe Polydimethylsiloxan (PDMS) und Borsäure auf die rheologischen Eigenschaften von Borsilikonkitt erarbeitet werden. Die Bestimmung der zeitabhängigen rheologischen Eigenschaften wird auf einem Rotationsrheometer mithilfe von Oszillationstests durchgeführt. Außerdem wird ein Syntheseablauf, der auf einem zweistufigen Prozess basiert, zur reproduzierbaren Herstellung erarbeitet. Für einen möglichst hohen Stoffumsatz ist bei der Synthese eine gleichmäßige, aber geringe Reaktions"-temperatur und eine möglichst lange Vernetz"-ungs"-zeit zu wählen. Die elastischen Eigenschaften steigen mit der Anzahl der eingebundenen Boratome, der Speichermodul nimmt mit steigendem Borsäuregehalt in einem begrenzten Rahmen linear zu. Jedoch können stark unterschiedliche Borsiloxane nur durch die Veränderung des Ausgangsstoffes PDMS synthetisiert werden. Die vorhandenen Hydroxylgruppen (OH) der PDMS und die elastischen Eigenschaften der Borsiloxane steigen mit sinkendem Molekulargewicht bzw. Kettenlänge der PDMS potenziell an. Mithilfe eines kurz- bzw. langkettigen PDMS kann somit Borsilikonkitt mit einer hohen bzw. geringen Steifigkeit synthetisiert werden. Des Weiteren konnte eine lineare Abhängigkeit der rheologischen Eigenschaften bei Mischung zweier Borsiloxane festgestellt werden. Durch diese Proportionalität kann so Borsilikonkitt mit den gewünschten rheologischen Eigenschaften hergestellt werden. Zuletzt werden die rheologischen Eigenschaften von Borsilikonkitt in Abhängigkeit von Temperatur und Feuchtigkeit untersucht. Aus einer steigenden Temperatur resultiert eine Frequenzverschiebung des komplexen Schubmoduls in den hochfrequenten Bereich. Die Hydrolyseanfälligkeit der untersuchten Borsiloxane kann bei erhöhter Feuchtigkeit nicht bestätigt werden.
Design and implementation of a bristle bot swarmsystem. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Schwarmrobotik ist ein Wissenschaftsgebiet, das sich auf die Untersuchung und Entwicklung von Robotersystemen fokussiert, die aus einer großen Menge von Einzelrobotern (Agenten) bestehen. Die Agenten interagieren dabei miteinander und erreichen so ein gemeinsames Verhalten. Das Ziel ist die kooperative Erfüllung von Aufgaben und die Überwindung von Hindernissen. Bristlebots sind vibrationsbasierte mobile Roboter. Sie sind durch eine geringe Größe, eine hohe Geschwindigkeit, einen einfachen Aufbau und geringe Kosten für Produktion und Betrieb gekennzeichnet, was vorteilhafte Eigenschaften für Agenten in einem Roboterschwarm darstellen. Die in der Literatur bisher vorgestellten Systeme besitzen keine Steuerung oder arbeiten mit zwei oder mehr Antrieben. An dieser Stelle setzt die vorliegende Masterarbeit an. Ziel ist die Entwicklung eines Bristlebot-basierten Agenten für einen miniaturisierten Roboterschwarm. Der Roboter soll ein Lokomotions-, Sensor-, Informationsverarbeitungs-, Kommunikations- und Energiespeicherungssystem besitzen. Neue Beiträge zu Modellierung und Entwicklung von Schwarmrobotern werden geleistet und ein neuartiger Prototyp wird vorgestellt. Der Prototyp wird von einem einzigen Gleichstrommotor angetrieben und benutzt ein Fortbewegungssystem auf Basis von Borsten. Der Systementwurf erfolgte unter den Kriterien einer möglichst geringen Masse, Größe und Komplexität. Mit dem entwickelten Prototyp wurden Experimente durchgeführt, um seine Bewegungsfähigkeiten zu analysieren. Das System bewegt sich auf leicht gekrümmten Trajektorien vorwärts. Die Richtung der Kurvenfahrt kann durch die Rotationsrichtung des Motors gesteuert werden. Eine Vergrößerung der Drehzahl führt zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Roboters. Übersteigt die Drehzahl einen kritischen Wert, invertiert sich das Kurvenverhalten und die translatorische Geschwindigkeit sinkt.
Simulative Untersuchung des Einflusses neuartiger kinematischer Parameter auf das Bewegungsverhalten nachgiebiger Koppelmechanismen. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
In der Feinwerk- und Mikrotechnik nimmt die Bedeutung von nachgiebigen Mechanismen aufgrund ihrer vielfältigen Vorteile gegenüber Starrkörpermechanismen stetig zu. Der verbreitetste Ansatz zur Synthese eines nachgiebigen Mechanismus ist es, die konventionellen Drehgelenke durch stoffschlüssige Gelenke, sogenannte Festkörpergelenke, zu ersetzen und diese über wesentlich biegesteifere Gliedsegmente zu verbinden. Ein häufiger Untersuchungsgegenstand ist dabei die Bahngenauigkeit des nachgiebigen Mechanismus im Vergleich zum Vorbild des Starrkörpermechanismus. Das kinematische Verhalten nachgiebiger Koppelmechanismen wird u.a. durch die konstruktive Gestaltung beeinflusst und kann durch optimierte Festkörpergelenkkonturen verbessert werden. Bereits vor der Synthese des nachgiebigen Mechanismus und seiner konstruktiven Gestaltung kann anhand der Getriebestellung des Starrkörpermechanismus Einfluss auf das Bewegungsverhalten des nachgiebigen Mechanismus genommen werden. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss von über die Gelenkkontur hinausgehenden Parametern auf die Geraden- und Bahnabweichung von vier ausgewählten nachgiebigen Mechanismen zur Realisierung einer angenäherten Punktgeradführung mittels Simulationen untersucht. Ein Parameter ist der Einfluss der Getriebestellung, durch die sich die Lage des Momentanpols verändert. Außerdem wird der Einfluss der Drehrichtung auf das kinematische Verhalten betrachtet. Zusätzlich zu den kinematischen Eigenschaften werden die Maximaldehnung und die Auslenkkraft der vier nachgiebigen Koppelmechanismen ausgewertet. Die Ergebnisse werden mittels FEM-Simulation im Rahmen einer systematischen Variantenstudie ermittelt und ausgewertet, um abschließend grundlegende Empfehlungen für die Mechanismussynthese abzuleiten.
Anwendung nichtlinearer Biegetheorie auf elastische, konische, vorgekrümmte Balken zur Objektabtastung. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Eines der aktuellen Forschungsschwerpunkte der Bionik beschäftigt sich mit der Analyse und Synthese tierischer Umgebungserkennung anhand ihrer Tastsinnesorgane, besonders den Vibrissen. Zum Verständnis hierfür sind Modelle und ihre Berechnungen zielführend. Die meisten Literaturquellen beschränken sich dabei auf Untersuchungen von zylindrischen und nicht vorgekrümmten, von zylindrischen und vorgekrümmten, oder von konisch und nicht vorgekrümmten Vibrissen. An diesem Punkt setzt diese Bachelo-Arbeit an. Zunächst wird eine, für stark vorgekrümmte Biegebalken geltende, exakte Theorie hergeleitet. Dem folgt eine Reihenentwicklung dieser, welche beim ersten Glied abgebrochen wird und eine Grenzfall-Betrachtung für sehr kleine Vorkrümmungen, welche auf die Euler-Bernoulli-Biegetheorie für den leicht vorgekrümmten Balken führt. Für den Biegebalken mit rechteck- und kreisförmigen Querschnitt werden die sogenannten "geometrischen Steifigkeiten" berechnet. Nachfolgend werden Fehlerfunktionen bezüglich der exakten Theorie und ihrer Taylor-Entwicklung formuliert. Dem folgt die Anwendung der drei Theorien auf den einseitig eingespannten Biegebalken unter richtungstreuem Kraftangriff unter Variation der Systemparameter. Hierfür werden Grenzwerte zwischen den Theorien so bestimmt, dass ein definierter Fehler nicht überschritten wird. Dem folgt eine Auswertung der Fehlerfunktionen von der exakten Theorie bezüglich ihrer Taylor-Entwicklung und die Anwendung dieser Fehlerfunktionen zur Verschiebung der gefundenen Berechnungsgrenzen, durch die Erhöhung der Gliedzahlen von der Taylor-Reihe ohne Fehlererhöhung. Nach der Berechnung der zuvor definierten Fehler einiger Beispielvibrissen, wird das Abtastverhalten von konisch verlaufenden und vorgekrümmten Vibrissen untersucht. Dies soll mit besonderem Augenmerk auf die Möglichkeit eines spannungsfreien Ablösevorgangs und dem äquivalenten Verhalten der Vibrisse zu einer zylindrischen gleichen Volumens geschehen. Abschließend werden linear veränderliche Vorkrümmungen mit Integralmittelwerten von Null betrachtet und auf ihre Vorteile bezüglich ihres Abtastverhaltens überprüft.